Deszkás zseni az új Einstein?

Az elméleti fizika egyik legfontosabb problémája a "világegyenlet" (minden dolgok elmélete, TOE) megtalálása, vagyis egy olyan leírás, ami az alapvető részecskefizikai kölcsönhatásokat egy közös elméletbe foglalja össze. A több mint 30 évvel ezelőtt megalkotott standard modell már összehozta az elektromágnesességet, az atommagok kvarkjai közti erős kölcsönhatást és a radioaktív béta-bomlást is leíró gyenge kölcsönhatást, de a gravitáció még mindig kilóg a modellből. Egy különc amerikai fizikus, Garrett Lisi most azt állítja, megtalálta a feltételezett közös elmélet alapját. Felfedezése több tudományos lapba, többek között a New Scientistbe is utat talált.

Fizika-testnevelés szakos

A most 39 éves Lisi a Kaliforniai Egyetemen végzett, de a PhD után nem fizikusként helyezkedett el, életét inkább a sportnak szentelte. Az év legnagyobb részét Hawaii-on tölti szörfdeszkáján, télen pedig a kaliforniai hegyekben snowboardozást tanít – a fizika megmaradt számára érdekes hobbinak. Ez nem akadályozott meg néhány tudóst abban, hogy komolyan vegye Lisi november 6-án az interneten közzétett, alig harmincoldalas tudományos publikációját, ami az "A mindenség egy kivételesen egyszerű teóriája" címet viseli.

A négy említett fizikai hatás közös modellbe illesztésének jelenleg leginkább elfogadott módja a húrelmélet, ami a részecskéket nem pontszerű, hanem kiterjedt objektumokként kezeli és így próbálja meg feloldani a különböző modellek egyesítése során jelentkező ellentmondásokat. Lisi saját bevallása szerint soha nem volt nagy méltatója a húrelméletnek (aminek az egyik legnagyobb problémája, hogy jelenleg lehetetlen a bizonyítása), így amikor tavaly elnyert egy tudományos ösztöndíjat, más úton indult el, hogy választ találjon az elméleti fizika egyik legnagyobb kérdésére. Fél évig sehova nem vezető egyenleteket alkotott, majd hat hónappal ezelőtt a kezébe került egy cikk, ami egy komplex matematikai objektumról, a Lie-csoportokhoz tartozó E8-ról szólt. A nevezetes struktúra feltérképezéséről idén márciusban számolt be a média, Lisinek ez a felfedezés adta az isteni szikrát.

A szörfös fizikus észrevette, hogy az E8-at leíró egyenletek közül néhány megegyezik az általa lejegyzett egyenletekkel. "Abban a pillanatban az agyamba robbant a következtetés és a dolog szépsége. Azt gondoltam, szent szar, megvan!" – lelkendezett Lisi a New Scientistnek. Az E8 alapja egy 248 pontból álló, nyolcdimenziós szerkezet; a hobbitudós azt gondolta ki, hogy ha az elemi részecskéket behelyettesíti a 248 pont helyére, a matematikai objektumot leíró egyenletekkel magyarázatot kaphat részecskefizikai jelenségekre, például a részecskebomlásra is. Nem ő az első, aki valamilyen szimmetrikus matematikai csoport alapján von le elméleti fizikai következtetéseket: az ötvenes években Murray Gell-Mann és kollégái az SU(3) nevű struktúrában helyezték el az akkor ismert részecskéket, és egy üresen maradt hely alapján megjósolták a később felfedezett omega-mínusz hiperon részecske létezését.

Pontmisztika

Mielőtt a roppant bonyolult E8-nak nekiesett volna, Lisi előbb egy hasonló, de jóval egyszerűbb objektummal, a G2-vel próbálkozott. A tudós a kvarkok közti erős kölcsönhatást vizsgálta, amit más elemi részecskék, a gluonok közvetítenek. E kölcsönhatástól függően a kvarkoknak piros, kék és zöld, úgynevezett színtöltésük lehet. A fizikus a struktúra pontjain elhelyezte a három színhez tartozó kvarkokat, antikvarkokat és gluonokat, és arra jutott, hogy a G2 mintázata pontosan leírja az e részecskék közti kapcsolatot és végső soron az erős kölcsönhatást.

A következő nevezetes Lie-csoportot, az F4-et vizsgálva Lisi fel tudta írni a neutrínók és az elektronok közti kölcsönhatásokat. A standard modellben elektrogyenge kölcsönhatás néven már ismert az elektromágnesesség és a gyenge kölcsönhatás egyesítése, de a fizikus a gravitációt is bevonta az elméletébe. Az általa gravi-elektrogyengének nevezett kölcsönhatást két új közvetítő részecske bevezetésével tudta felírni az F4 objektumon.

Végül kitöltötte az E8 248 pontját a 40 ismert elemi részecske különböző kvantumtulajdonságú változataival, a megmaradt 20 üres helyet pedig feltételezett részecskékkel egészítette ki. A kitöltött struktúrát számítógépes szimulációval forgatni kezdte az objektum dimenziói mentén, és az objektum változását az E8 síkba leképezett képén, úgynevezett politópján is követte. A forgatással sikerült a korábbi egyszerűbb objektumokhoz, a G2-höz és az F4-hez eljutnia, és amikor tovább forgatta az alakzatot, újabb érdekes mintákat kapott. Például egy állapotában a politóp úgy néz ki, hogy a gravi-elektrogyenge kölcsönhatást leíró csillagformát a kvarkok és antikvarkok hat csoportba tömörülve veszik körül. A csoportok színtöltés szerint különülnek el, és három családot alkotnak, amelyekben a részecskék tömegüket leszámítva szinte azonos tulajdonságokkal rendelkeznek. A fizikusok sosem tudtak igazán választ adni arra, hogy miért találhatók meg ezek a családok a részecskék között, de Lisi szerint ez szinte természetesen következik az E8-ból (lásd a forgatásról a lenti videót).

Megdicsőülés vagy bukás

Lisi különösen büszke arra, hogy teóriáját a húrelmélet mankói nélkül alkotta meg, és hogy ennek köszönhetően a matematikai háttér is jóval egyszerűbb. A gondolat, hogy az E8 objektum lenne a részecskefizika rendezőelve, megosztotta a tudósokat és a laikusokat is, és a merészen egyszerű elképzelés hamar népszerű lett (Wikipedia szócikk és kapcsolódó indexes fórumtéma is született). A méltatók új Einsteinről beszélnek, és üdvözlik az újszerű megközelítést, a teória kritikusai szerint az ötlet nem is olyan új, és túl sok a hiányzó 20 részecske.

"A leglenyűgözőbb egyesítő modell, amit nagyon sok éve láttam" – örvendezett például Lee Smolin, a kanadai Waterlooban található Perimeter Institute for Theoretical Physics intézet kutatója. "Elképesztően szép ötletek esnek ki Lisi elméletéből" – erősítette meg kollégája véleményét David Ritz Finkelstein, az atlantai Georgia Institute of Technology professzora. "Több, mint véletlen, amit ő talált, valami igazán lényegesre tapintott rá." Finkelstein most azt tervezi, hogy megvizsgálja, a téridő-változásokat fel lehet-e írni több E8-mintázat összefűzésével.

Smolin kolléganője, Sabine Hossenfelder már nem volt ilyen lelkes, szerinte Lisi elgondolása nem mond ellent a húrelméletnek. Hossenfelder rámutatott, hogy a húrelméletben is használják az E8 objektumot a Calabi-Yau tereknek nevezett speciális többdimenziós alakzatok leírásakor. Más neves fizikusok viccnek minősítették a teóriát, a legkeményebb kritikát egy korábbi harvardi professzor, a húrelmélettel foglalkozó Lubos Motl fogalmazta meg blogjában. "Az olyan embereknek, mint Lisi nem nehéz egyesíteniük a dolgokat, mert nem is tesznek különbséget a különböző fizikai fogalmak között" – írta Motl.

A részecskefizikával foglalkozó hazai szaktekintélyek közül nem sikerült olyat találnunk, aki olvasta volna Lisi publikációját, de mindannyian óvatosságra intettek. Dr. Trócsányi Zoltán, az MTA Atommagkutató Intézet tudományos tanácsadója hangsúlyozta, hogy évtizedekbe telik, mire egy elméleti munka olyan szintre jut, hogy teljes mértékben el lehet fogadni. Az ELTE Elméleti Fizikai tanszékének vezetője, dr. Palla László arra utalt, hogy a húrelmélet eredményeit nem lehet ilyen egyszerűen elvetni.

Lisi teóriája akkor szilárdulhat meg jobban, ha a standard modellben nem szereplő, de Lisi által bevezetett több mint húsz részecske közül néhányat sikerül észlelni. A szörfös fizikus reményei szerint ez bekövetkezik a világ legnagyobb részecskegyorsítójában, a genfi Large Hadron Colliderben jövőre induló kísérletek során. De a szörfös fizikus maga is óvatos és beismeri, hogy a kudarcra is van esély: "Gyönyörű az elméletem, de a természet gondolhatja másképp. Ez amolyan 'mindent vagy semmit' helyzet: vagy teljesen jó, amit kitaláltam, vagy látványosan fog csődöt mondani."